IP、UDP初探

级别：★★☆☆☆

标签：「IP首部」「UDP首部」「UDP」

作者： WYW

审校：QiShare团队

笔者最近了解了一下 Python 相关的内容，发现网络编程部分非常容易能够创建一个UDP本地服务器，正好可以用来分析一下UDP的请求和响应。在本篇文章中，笔者将给大家介绍下IP、UDP的部分内容。

OSI、IP、UDP 简介

聊到网络协议，我们常常会想到OSI（Open System Interconnection 开放式系统互联）七层模型、TCP/IP协议簇，她位于OSI、TCP/IP协议簇哪一层等问题。

如下图OSI七层模型及对应的TCP/IP协议簇所示。

• UDP（User Datagram Protocol 用户数据报协议）位于OSI中的第四层（传输层）。位于TCP/IP协议簇中的第四层（TCP or UDP）。
• IP（Internet Protocol 网络协议）OSI中的第三层（网络层），位于TCP/IP协议簇中的第三层（IP）。

下图 是OSI七层模型及对应的TCP/IP 协议簇

User Datagram Protocol (UDP)
UDP is also a transport-layer protocol and is an alternative to TCP. It provides an unreliable datagram connection between applications. Data is transmitted link by link; there is no end-to-end connection. The service provides no guarantees. Data can be lost or duplicated, and datagrams can arrive out of order.
UDP也是传输层协议，是TCP的替代方案。  它在应用程序之间提供不可靠的数据报连接。 数据通过链接传输; 没有端到端的连接。  （这里我的理解是不需要建立连接）该服务不保证可靠传输。 数据可能丢失或重复，数据报可能无序到达。

Internet Protocol (IP)

In terms of the OSI model, IP is a network-layer protocol. It provides a datagram service between applications, supporting both TCP and UDP.

在OSI模型的中，IP是网络层协议。 它在应用程序之间提供数据报服务，支持TCP和UDP。

IP数据包首部及UDP首部

创建本地UDP服务器、客户端

笔者在前文提到了要用Python创建一个本地UDP服务器，并且分析UDP的请求及响应过程。这里笔者使用的是PythonIDE、Mac自带的终端简单创建了一个本地UDP服务端和客户端；

请求响应过程为：

-> 启动服务端

-> 启动客户端和服务端建立连接

-> 客户端向服务端发送数据'A'

-> 服务端收到数据向客户端发送'ABCD'。

-> 使用Wireshark对整个请求响应过程进行数据分析。

所用的Python代码如下：

• Python IDE作为服务端使用如下代码，UDP服务端代码：

Python 3.7.1 (v3.7.1:260ec2c36a, Oct 20 2018, 03:13:28) 
[Clang 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license()" for more information.
>>> from socketserver import BaseRequestHandler, UDPServer
>>> class handleRequest(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print('Got connection from', self.client_address)
        msg, sock = self.request
        print('RequestMessage:',msg)
        resp = 'ABCD'
        print('Response:',resp)
        sock.sendto(resp.encode('ascii'), self.client_address)

        
>>> if __name__ == '__main__':
    serv = UDPServer(('', 20000), handleRequest)
    serv.serve_forever()

复制代码

• 终端作为客户端，使用如下代码，UDP客户端代码：

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM
s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
s.sendto('A', ('localhost', 20000))
复制代码

示意图如下：

抓包并进行分析

笔者结合着IP和UDP的首部示意图，及Wireshark的请求及响应进行了如下分析：

在分析数据传输过程之前，笔者先对下边会用到的名词及 工具 做个简单说明：

• 字节 即 byte ， 比特 即 bit ，1个字节（byte）=8个比特（bit）。

• ASCII码：是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统。ASCII码对照表

• 举个例子'A'的ASCII码为0x41 基本的16进制、2进制、10进制之间的转换 ： -> 16进制0x41 -> 对应2进制为 0100 0001 -> 对应10进制为4 * 16 + 1 = 65在线进制转换

• 下图是 请求 的示意图，可见数据部分是 0x41 表示的是十进制的65，即'A'的ASCII码。

  

• 下图是 响应 的示意图，可见数据部分是 0x41424344 表示的是十进制的65 66 67 68，即'ABCD'的ASCII码。

  

• 下图标识的是 IP协议所使用的版本 ，0100表示的是4即IPv4

  

• 下图标识的是 IP的首部长度 ，0101表示十进制5，不过这里我们看到Header Length 为20字节，原因是，Head Length的单位是4字节。（即5 * 4 字节 = 20 字节）。首部长度的最大值为1111即15， 首部长度的最大值为15 * 4字节 = 60字节 。

  

• 服务类型 部分，优先级标志位和服务类型标志位，被路由器用来进行流量的优先排序。笔者目前不清楚用意，暂不做解释说明。

• 下图为 Total Length（总长度） 显示为001d，16进制的d为13，即13 + 16 = 29。指IP首部和数据报中数据之后的长度，单位为字节。总长度为16位，因此数据报的最大长度为2 ¹⁶ - 1 = 65535字节。

• 下图为 标识符 ，一个唯一的标识数字，用来识别一个数据报或者被分片数据包的次序。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。

  

• 下图为 标记和分段偏移 。

  

• 标记 ：用来标识一个数据报是否是一组分片数据包的一部分。

  • Flags：0x0000 ，
    • 其中Reserved bit 为0 占用 1比特 ；
    • DF（Don’t Fragment）为0，占用 1比特 ；代表不分片；
    • MF（More Fragemnt）为0，占用 1比特 ，MF为0，如果在分片的情况下，代表这是若干分片中的最后一个；
    • 分片偏移 为0，占用 13比特 ；0 0000 0000 0000

• 分段偏移 ：一个数据包是一个分片，这个域中的值就会被用来将数据报以正确顺序重新组装。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。

• 下图为 Time to live （存活时间） ，用来定义数据报的生存周期，以经过路由器的条数/秒数 进行秒数。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。占用 8个比特 ，16进制0x40即十进制64。

• 下图为 协议 ，用来识别在数据包序列中上层协议数据类型。占用 8 个比特，16进制0x11即十进制17。代表UDP。

  

• 下图为 首部校验和 ，一个错误检测机制，用来确定IP首部的内容有没有被损坏或者篡改。占用 16个比特 。

  

• 下图为 源IP地址 ，即发出数据报的主机的IP地址。占用 32个比特 。16进制的0x7f代表的127，0x7f00 0001 表示127.0.0.1

• 下图为 目的IP地址 ，数据报目的地的IP地址。占用 32个比特 。16进制的0x7f代表的127，0x7f00 0001 表示127.0.0.1。

上述内容就是IP的数据报首部的相关分析，下边笔者将给大家介绍下UDP的首部的相关内容：

• 如下图 UDP的首部 所示，UDP的首部占用 64比特，即8个字节 。

• 下图表示 UDP的源端口 ，占用 16比特 。16进制为 0x f432 即为十进制的 62514 。

• 下图表示 UDP的目标端口 ，占用 16比特 。16进制为 0x 4e20 即为十进制的 20000 。

  

• 下图表示 UDP数据报的字节长度 ，表示数据报的字节长度。长度占用UDP首部 16比特 。16进制为 0x 0009 即为十进制的 9 （因为UDP首部长度占8个字节，加上传输了一个数据'A'占用1个字节，共9字节）。

• 下图表示 UDP数据报的校验和 ，用来确保UDP首部和数据到达时的完整性。校验和占用UDP首部 16比特 ，16进制为 0x fe1c 。目前笔者对这个值并不了解，暂不做解释。

• 最后，传输的 数据 ，包含被UDP封装进去的数据，包含应用层协议头部和用户发出的数据，我们传输的'A'，如下图，显示为16进制的0x41即十进制的65。